1- 金属材料发展历史与展望-2012-9-21

1、材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 1 金属材料学金属材料学 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 2 主讲教师主讲教师 张静张静 通讯地址：西北工业大学材料学院通讯地址：西北工业大学材料学院- -公字楼公字楼309309 邮邮 编：编：710072710072 联系电话：联系电话： 1332538252913325382529 E-mailE-mail： 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 课程表 周一周一周二周二周三周三周

2、四周四周五周五 1 10级， XA301， 4-11周 2 3 09级， XA301， 4-10周 4 5 09级， XA301， 4-10周 09级， XA301， 4-9周 6 7 10级， XA301， 4-11周 10级， XA301， 4-11周 8 3 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 4 我们将学习：我们将学习： l金属材料的地位与作用金属材料的地位与作用, , 历史与发展。历史与发展。 l金属材料的组织、结构、工艺、性能及应用。金属材料的组织、结构、工艺、性能及应用。 l主要金属的基本原理主要金属的基本原理 金

3、属与合金金属与合金: : 铝、钛、铜、镁、稀土、高温合金等铝、钛、铜、镁、稀土、高温合金等, ,合金合金 化原理化原理, , 性质与应用性质与应用, , 热处理工艺热处理工艺, , 典型合金。探讨成分、典型合金。探讨成分、 结构结构, ,组织与性能之间的内在规律。组织与性能之间的内在规律。 l新材料新材料: : 介绍目前世界上出现的新型金属材料介绍目前世界上出现的新型金属材料 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 5 课程特点和要求课程特点和要求 特点特点 综合性综合性 、应用性、经验性、应用性、经验性 要求要求 掌握合金化理论的

4、基本知识，了解材料成分设掌握合金化理论的基本知识，了解材料成分设 计的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热计的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热 处理工艺、组织、性能之间的关系，根据零件处理工艺、组织、性能之间的关系，根据零件 技术要求，能正确地选择材料和制订工艺。技术要求，能正确地选择材料和制订工艺。 思路思路 主线：材料成分主线：材料成分-工艺工艺-组织组织-性能性能-应用应用 之间的有机关系之间的有机关系 核心：合金化原理核心：合金化原理 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 6 第一章第一章 金属材料的进展金属材料的进展 西北工业大学西北工业大学

5、 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 7 本章框架本章框架 发展战略发展战略 发展史与现状发展史与现状 未来未来 问题与趋势问题与趋势 作用与地位作用与地位 展望展望 回顾回顾 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 8 第一节第一节 发展史与现状发展史与现状 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 9 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 10 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静

6、张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 11 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 12 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 13 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 14 l合成与制备：合成与制备：获取材料的手获取材料的手 段，工艺技术进步为标志段，工艺技术进步为标志 l成分与结构：成分与结构：材料的本质，材料的本质， 认识材料的理论基础；认识材料的理论基础； l材料特性：材料特性：选

7、用材料的依据；选用材料的依据； l服役行为与寿命：服役行为与寿命：材料的加材料的加 工和服役条件结合，考察材工和服役条件结合，考察材 料的使用寿命，成为料的使用寿命，成为 MSE MSE 的最终目标。的最终目标。 合成与制备合成与制备 材料特性材料特性 成分与结成分与结 构构 服役行为与寿命服役行为与寿命 材料科学与工程材料科学与工程MSE的四要素四面体关系的四要素四面体关系 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 15 四要素与五要素四要素与五要素 效能（使用性能） （气氛 温度 受力状态） 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料

8、学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 16 核心关系核心关系 核心关系核心关系 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 17 材料的结构材料的结构 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 18 材料的性能材料的性能 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 19 二、材料的发展史，就是人类科技的发展史。二、材料的发展史，就是人类科技的发展史。 信息、材料、能源、生物技术信息、材料、能源、

9、生物技术 现代高科技现代高科技 材料材料人类社会发展的里程碑！人类社会发展的里程碑！ 新材料新材料现代科学技术和社会发展的现代科学技术和社会发展的 基础和支柱！基础和支柱！ 社会文明支柱，科技创新的重要标志社会文明支柱，科技创新的重要标志！ 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 20 金属材料发展的四个阶段 一一 原始钢铁生产原始钢铁生产 4300B.C. 4300B.C. 金、铜、铁，金、铜、铁， 铸造、锻打铸造、锻打 中国的宝剑、西欧的大马士革刀，日本武士剑中国的宝剑、西欧的大马士革刀，日本武士剑 二二 金属材料学科的基础金属

10、材料学科的基础 17781778，第一座铁桥；，第一座铁桥； 18181818，铁船下水；，铁船下水； 18251825，铁路；铁构成金属材料学科的基础，铁路；铁构成金属材料学科的基础 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 21 1919世纪，金属学、金相学、相变理论的发展世纪，金属学、金相学、相变理论的发展 18031803，道尔顿的原子学说，阿伏加德罗分子论，道尔顿的原子学说，阿伏加德罗分子论 18301830，Hessel Hessel 的的3232种晶体类型种晶体类型 18391839，MillerMiller指数的普及指

11、数的普及 18911891，点阵结构理论的创立，点阵结构理论的创立 18641864，SorbySorby，第一张金相组织照片，第一张金相组织照片，9 9倍倍 1827-18881827-1888，FeFe3 3C C的分离的分离(Karsten)(Karsten)和认知和认知(Abel)(Abel) 十九世纪中后，钢的金相学发展：十九世纪中后，钢的金相学发展：Willard GibbsWillard Gibbs 的相律推导，的相律推导，Robert-AustenRobert-Austen奥氏体固溶特性，奥氏体固溶特性， RoozeboomRoozeboom的的Fe-FeFe-Fe3 3C C

12、相图建立相图建立 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 22 1669, N. Steno, 1669, N. Steno, 晶面角守恒定律晶面角守恒定律 1885, A. Bravais, 1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说晶体空间点阵学说 1912, M. Laue1912, M. Laue* *, , 晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg* * * X X射线晶体结构分析方法射

13、线晶体结构分析方法 电子显微镜（电子显微镜（SEMSEM、TEMTEM） 扫描探针显微术扫描探针显微术* * * *（STMSTM、AFMAFM） 三三 微观组织理论大发展微观组织理论大发展 合金相图、合金相图、X X射线，位错理论射线，位错理论 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 23 Reaumur (1722) Hill (1748) Reaumur (1722) Hill (1748) 在放大镜下观察出晶粒在放大镜下观察出晶粒 Sorbit Sorbit 发现并描述了细珠光体发现并描述了细珠光体 Young(1807)Y

14、oung(1807)提出材料弹性模量概念提出材料弹性模量概念 Barlow(1826)Barlow(1826)关于材料强度的测定关于材料强度的测定 Tehernoff(1861)Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告发表了钢临界点的实验报告 Wshery(1860-1870)Wshery(1860-1870)关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及 得出的第一条得出的第一条S S- -N N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的 科学研究科学研究 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学

15、位课 金属材料学金属材料学 24 四四 微观理论的深入研究微观理论的深入研究 原子扩散、马氏体相变、沉淀相、位错滑移原子扩散、马氏体相变、沉淀相、位错滑移 电子显微镜、扫描透射电镜（电子显微镜、扫描透射电镜（SYEMSYEM）、扫描隧）、扫描隧 道显微镜（道显微镜（STMSTM）、原子显微镜（）、原子显微镜（AFMAFM）等新）等新 仪器的发明为微观研究进一步发展提供可能，随仪器的发明为微观研究进一步发展提供可能，随 之产生了表面和界面科学之产生了表面和界面科学 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 25 三、现代金属材料三、现代

16、金属材料 1.1.先进结构材料先进结构材料 特点：特点：高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损 途径：途径：细化、均匀化组织，合金化，改进加工技术细化、均匀化组织，合金化，改进加工技术 代表：代表：铝镁合金、合金钢，复合材料铝镁合金、合金钢，复合材料 2.2.高温合金材料高温合金材料 特点：特点：高比强度、高比刚度，提高高温工作效率高比强度、高比刚度，提高高温工作效率 途径：途径：颗粒或短纤维增强金属基复合材料颗粒或短纤维增强金属基复合材料 用于：用于：航空发动机，涡轮航空发动机，涡轮 代表：代表：TiTi、Ti-AlTi-Al合金合金 西北工业大

17、学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 26 3.3.复合材料复合材料 特点：特点：高强度、高模量高强度、高模量 代表：代表：铝、镁、钛等金属基体复合铝、镁、钛等金属基体复合 4.4.超导材料超导材料 超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能 5.5.能源材料能源材料 能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物 电池材料等。电池材料等。 6. 6. 智能材料智能材料 形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料 27 7.

18、7.磁性材料磁性材料 软磁材料和硬磁材料软磁材料和硬磁材料 软磁材料：软磁材料：易于磁化并可反复磁化的材料，易于磁化并可反复磁化的材料， 代表：代表：铁硅合金、铁镍合金、非晶金属铁硅合金、铁镍合金、非晶金属 硬磁材料：硬磁材料：永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性。永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性。 代表：代表：铁氧体和金属永磁材料铁氧体和金属永磁材料 8.8.纳米材料纳米材料 纳米金属：纳米金属：如如纳米铁材料纳米铁材料，是由，是由6 6纳米的铁晶体压制而成的，纳米的铁晶体压制而成的， 较之普通铁强度提高较之普通铁强度提高1212倍，硬度提高倍，硬度提高2323个数量级。个数量级。

19、对于高熔点难成形的金属对于高熔点难成形的金属，只要将其加工成纳米粉末，即，只要将其加工成纳米粉末，即 可在较低的温度下将其熔化，制成耐高温的元件，用于研可在较低的温度下将其熔化，制成耐高温的元件，用于研 制新一代高速发动机中承受超高温的材料。制新一代高速发动机中承受超高温的材料。 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 28 第二节第二节 作用和地位作用和地位 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 29 美国国家知识评估大纲美国国家知识评估大纲 近几年来，由于科学技术的发展，世界运动近几年来，由

20、于科学技术的发展，世界运动 方式发生了根本变化。方式发生了根本变化。 长途通讯价格下降，计算机的普及，全球网长途通讯价格下降，计算机的普及，全球网 络的出现，以及生物技术、络的出现，以及生物技术、材料科学材料科学和电子工和电子工 程等领域的发展，创造出程等领域的发展，创造出1010年前根本不可能想年前根本不可能想 象的新产品、新服务系统、新兴行业和新的就象的新产品、新服务系统、新兴行业和新的就 业机会，这就是人们所说的知识革命。业机会，这就是人们所说的知识革命。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 30 u 材料是国民经济、社会

21、进步和国家安全材料是国民经济、社会进步和国家安全 的物质基础与先导的物质基础与先导 u 先进材料具有强烈的基础性、支撑性、先进材料具有强烈的基础性、支撑性、 技术经济价值和迫切战略需求技术经济价值和迫切战略需求 材料的基础、先导、战略作用材料的基础、先导、战略作用 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 31 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 32 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 33 西北工业大

22、学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 34 航空航天的物质基础航空航天的物质基础 b(MPa) 0.2(MPa) (%) 382 310 6 488488 478 478 12 12 360 280 4 482482 472 472 9 9 330 250 2 440440 290 290 6 6 纵向 横向 高 鍛铝鍛铝20142014（LD10LD10）的力学性能）的力学性能 卫星发射，节省卫星发射，节省1 1公斤重量将降低费用公斤重量将降低费用$20000$20000。一次发射。一次发射 节约费用节约费用20%20%。 铝的理论强度铝

23、的理论强度 4700MPa4700MPa， 当今高强铝合当今高强铝合 金强度没超过金强度没超过 1000MPa1000MPa。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 35 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 36 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 37 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 38 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学

24、院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 39 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 40 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 41 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 42 第三节第三节 发展趋势发展趋势 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 43 世界科学技术发展的优先领域世界科学技术发展的优先领域 信息科学和技术信息科学和技术 生命科学和

25、生物技术生命科学和生物技术 能源科学和技术能源科学和技术 环境科学和技术环境科学和技术 材料科学和技术材料科学和技术 高密度存储材料高密度存储材料 生态材料生态材料 生物材料生物材料 碳材料碳材料 高性能结构材料高性能结构材料 6. 纳米科学和技术纳米科学和技术 7. 先进制造技术先进制造技术 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 44 新世纪对材料提出新的要求新世纪对材料提出新的要求 资源丰富资源丰富 环境环境 保护保护 节约节约 能源能源 新材料新材料 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学

26、位课 金属材料学金属材料学 45 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 46 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 47 未来材料发展趋势未来材料发展趋势 未来的材料未来的材料 材料设计材料设计 分子设计和材料设计分子设计和材料设计, 指导合成和制备指导合成和制备 具有预期性能和使用效能的材料具有预期性能和使用效能的材料 智能化、智能化、 仿生化、仿生化、 复合化、复合化、 纳米化、纳米化、 轻量化、轻量化、 高功能化高功能化 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学

27、院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 48 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 49 21世纪将逐渐实现按需设计材料材料世纪将逐渐实现按需设计材料材料 材料设计是一个很复杂的过程，如材料设计是一个很复杂的过程，如: 材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学；材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学； 有些结构敏感性质，可变因素多，一个微小缺陷都会产有些结构敏感性质，可变因素多，一个微小缺陷都会产 生很大影响；生很大影响； 表面与内部结构及性质的不一致性，以及复杂的环境因表面与内部结构及性质的不一致性，以及

28、复杂的环境因 素等等。素等等。 要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；大要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；大 容量计算机；不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。容量计算机；不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 50 不同类型材料的发展前景不同类型材料的发展前景 金属在结构材料中仍占主要位置，钢铁在今金属在结构材料中仍占主要位置，钢铁在今 后几十年内的产量不会下降后几十年内的产量不会下降, ,目前全世界产量目前全世界产量7 7 8 8亿吨。亿吨。 铜、铅、锌的资源接近枯

29、竭，代用品成为当铜、铅、锌的资源接近枯竭，代用品成为当 务之急，加速开发低品位矿的提炼方法。务之急，加速开发低品位矿的提炼方法。 镁和钛将得到更广泛的应用。镁和钛将得到更广泛的应用。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 51 不同类型材料的发展前景不同类型材料的发展前景 稀有金属、稀散金属与稀土金属的用途将不断稀有金属、稀散金属与稀土金属的用途将不断 扩大。扩大。 功能陶瓷将会有更大发展，工程陶瓷的性能将功能陶瓷将会有更大发展，工程陶瓷的性能将 进一步提高。进一步提高。 水泥的生产将大量采用矿渣、炉渣等废料，水泥的生产将大量采用

30、矿渣、炉渣等废料， 提高水泥标号，改进增强组元，减少水泥产量。提高水泥标号，改进增强组元，减少水泥产量。 玻璃将走向智能化达到节能的目的。玻璃将走向智能化达到节能的目的。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 52 不同类型材料的发展前景不同类型材料的发展前景 功能高分子材料，包括导电高分子、铁磁高分功能高分子材料，包括导电高分子、铁磁高分 子、光学高分子，半导体及超导体以及存储和显子、光学高分子，半导体及超导体以及存储和显 示材料都已显示有发展前景，但有稳定性和老化示材料都已显示有发展前景，但有稳定性和老化 问题。问题。 树脂基

31、复合材料得到较为广泛的应用，金属基树脂基复合材料得到较为广泛的应用，金属基 与陶瓷基复合材料成本过高而未打开局面。与陶瓷基复合材料成本过高而未打开局面。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 53 不同类型材料的发展前景不同类型材料的发展前景 碳素材料资源丰富，碳的同素多形体而成为多碳素材料资源丰富，碳的同素多形体而成为多 用途的材料，碳纤维强度高而价廉；用途的材料，碳纤维强度高而价廉； 金刚石至今仍是最硬的材料，又是高温半导体金刚石至今仍是最硬的材料，又是高温半导体 的候选材料之一；纳米碳管应用前景广阔，将成的候选材料之一；纳米

32、碳管应用前景广阔，将成 为为21世纪研究与开发的热点。世纪研究与开发的热点。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 54 高性能结构材料的研究与开发是永恒的主题高性能结构材料的研究与开发是永恒的主题 高性能结构材料是高比强、高比刚、耐高温、耐腐蚀、抗高性能结构材料是高比强、高比刚、耐高温、耐腐蚀、抗 磨损的结构材料。磨损的结构材料。 动力机械工作温度愈高，比强度和比刚度愈高，效率愈高动力机械工作温度愈高，比强度和比刚度愈高，效率愈高 飞机及航空发动机性能的改进，分别为飞机及航空发动机性能的改进，分别为2 23 3和和1 12 2靠

33、材料靠材料 性能提高。性能提高。 卫星和飞船能减重卫星和飞船能减重1 1公斤就能带来极高的效益。公斤就能带来极高的效益。 汽车节油有汽车节油有3737靠材料的轻量化，靠材料的轻量化，4040靠发动机的改进，靠发动机的改进， 而绝热发动机（不需水冷）主要靠材料性能的提高。而绝热发动机（不需水冷）主要靠材料性能的提高。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 55 2002高技术发展报告高技术发展报告 我国未来我国未来20年材料技术领域年材料技术领域15项关键技术项关键技术 开发出实用的开发出实用的高温超导材料高温超导材料并将其应用到若

34、干领域；并将其应用到若干领域； 转换效率在转换效率在2020以上的以上的太阳能电池太阳能电池进入实用阶段；进入实用阶段； 纳米材料纳米材料制备技术及纳米材料、纳米器件在若干领域的应用；制备技术及纳米材料、纳米器件在若干领域的应用； 开发出汽车动力用开发出汽车动力用燃料电池燃料电池； 可在可在350350高温下持续工作的聚合物基复合材料进入实用阶段；高温下持续工作的聚合物基复合材料进入实用阶段； 开发出与人骨基本相同的磷灰石基复合材料；开发出与人骨基本相同的磷灰石基复合材料； 开发出开发出金属间化合物基高温结构材料金属间化合物基高温结构材料； 开发出适用于汽车及其他民用工业的开发出适用于汽车及其

35、他民用工业的钛合金钛合金； 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 56 2002高技术发展报告高技术发展报告 我国未来我国未来20年材料技术领域年材料技术领域15项关键技术项关键技术 汽车等交通工具的低成本、高强度铝、镁合金；汽车等交通工具的低成本、高强度铝、镁合金； 开发出实用的全光开关材料和技术；开发出实用的全光开关材料和技术； 开发出单电子存储器元件；开发出单电子存储器元件； 新一代钢铁材料（即新一代钢铁材料（即“超级钢超级钢”）进入实用阶段；）进入实用阶段； 开发出适用的塑料再生、循环利用技术；开发出适用的塑料再生、循环利

36、用技术； 开发出高能量、高密度、持久耐用的充电电池；开发出高能量、高密度、持久耐用的充电电池； 开发出实用的太阳能分解水制造氢的技术。开发出实用的太阳能分解水制造氢的技术。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 57 先先 进进 结结 构构 材材 料料 发发 展的展的 趋趋 势势 材料的复合化材料的复合化 结构材料的功能和多功能化结构材料的功能和多功能化 传统结构材料的高性能化传统结构材料的高性能化 低成本技术低成本技术 简化材料体系简化材料体系, ,一材多用一材多用 先进制备和加工技术先进制备和加工技术 提前安排重要新结构材料的

37、研制提前安排重要新结构材料的研制 新材料的环境影响新材料的环境影响 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 58 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 59 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 60 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 61 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学

38、 62 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 63 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 64 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 65 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 66 l美国美国 60607070年代年代 阿波罗登月阿波罗登月 70708080年代年代 星球大战星球大战 80809090年代年代 信息高速公路信息高速公路 90

39、90 纳米科技纳米科技 l 俄罗斯俄罗斯 2121世纪世纪9 9项优先发展的科学、工艺、技术中项优先发展的科学、工艺、技术中 “新材料和化学新材料和化学”排在第三排在第三 先进材料科技的国际发展趋势先进材料科技的国际发展趋势 建立建立 先进先进 材料材料 科技科技 体系体系 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 67 第四节第四节 我国材料业的问题和发展战略我国材料业的问题和发展战略 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 68 世界银行：世界银行：中国与知识经济：把握中国与知识经济：把握212

40、1 世纪世纪20012001年年 在过去两千年中的很长一段，中国是世界上在过去两千年中的很长一段，中国是世界上 最大和最先进的国家，直到最大和最先进的国家，直到1818世纪末，中国的国世纪末，中国的国 内生产总值约占全球内生产总值约占全球25%25%，18201820年为年为33%33%。 中国的人均收入在中国的人均收入在1212世纪前一直领先于西欧，世纪前一直领先于西欧， 在在1818世纪前一直领先于世界平均水平。世纪前一直领先于世界平均水平。 后来，它错过了工业革命，经济出现停滞，后来，它错过了工业革命，经济出现停滞， 19491949年年GDPGDP仅占世界仅占世界5%5%。 西北工业大

41、学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 69 十种有色金属总产量继续保持世界第一。十种有色金属总产量继续保持世界第一。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 70 材料产业名称材料产业名称生产量（万吨）生产量（万吨）世界排名世界排名 钢铁钢铁2724627246第一位第一位 有色金属有色金属 14301430第一位第一位 水泥水泥(2003)(2003)8620886208第一位第一位 平板玻璃（平板玻璃（20032003）2770227702 （万重量箱）（万重量箱） 第一位第

42、一位 陶瓷陶瓷(2003)(2003) 96.2 96.2 亿件亿件第一位第一位 合成树脂合成树脂19501950第二位第二位 合成橡胶合成橡胶139139第三位第三位 合成纤维合成纤维 13101310 第一位第一位 20042004年中国各种材料总产量及世界排名年中国各种材料总产量及世界排名 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 71 能耗高能耗高 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 72 环境污染严重环境污染严重 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张

43、静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 73 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 74 材料材料钢材钢材铜铜铝铝铅铅锌锌 单位单位GNPGNP的资源的资源 消耗率消耗率 3.63.63.73.72.42.42.72.72.22.2 世界平均水平世界平均水平1 11 11 11 11 1 我国几种原材料我国几种原材料 的单位的单位GNPGNP资源资源 消耗率与世界平消耗率与世界平 均水平的比较均水平的比较 资源消耗大，资源危机：资源消耗大，资源危机： 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位

44、课本科生学位课 金属材料学金属材料学 75 我国先进结构材料与先进国家的差距我国先进结构材料与先进国家的差距 未形成自己的体系未形成自己的体系 仍处于仿制阶段仍处于仿制阶段, ,创新能力不足创新能力不足, ,自主开发的新材料很少。自主开发的新材料很少。 先进结构材料综合性能较低，生产技术和装备落后，通先进结构材料综合性能较低，生产技术和装备落后，通 用性差，军用和民用材料两张皮。用性差，军用和民用材料两张皮。 缺少先进材料的研究开发平台。缺少先进材料的研究开发平台。 对材料的制备技术重视不够。对材料的制备技术重视不够。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学

45、位课 金属材料学金属材料学 76 l加强基础与战略性的材料研究加强基础与战略性的材料研究 ，促进成果转化，促进成果转化 l材料的复合与组装材料的复合与组装 l材料智能化及结构功能一体化材料智能化及结构功能一体化 l材料与环境、资源的材料与环境、资源的“协调与融合协调与融合” l材料制备和表征技术材料制备和表征技术 l经济可承受性和可持续发展经济可承受性和可持续发展 l军民结合、寓军于民军民结合、寓军于民 我国新材料技术发展战略我国新材料技术发展战略 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 77 对先进结构材料的需求对先进结构材料的需

46、求 航空航天的需求航空航天的需求 能源工业的需求能源工业的需求 交通运输业的需求交通运输业的需求 武器系统的需求武器系统的需求 建筑业的需求建筑业的需求 机械设备制造业的需求机械设备制造业的需求 环境保护的需求环境保护的需求 国家重大工程的需求国家重大工程的需求 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 78 先进结构材料研究发展重点先进结构材料研究发展重点 先进复合材料先进复合材料 高温结构材料高温结构材料 轻合金材料轻合金材料 高强、高韧、耐蚀钢铁材料高强、高韧、耐蚀钢铁材料 极端条件下使用的合金材料极端条件下使用的合金材料 智能

47、材料与结构智能材料与结构 前瞻性先进结构材料前瞻性先进结构材料 传统结构材料的高性能化和绿色化传统结构材料的高性能化和绿色化 材料先进制备工艺技术材料先进制备工艺技术 材料的表征、寿命预测和安全评估材料的表征、寿命预测和安全评估 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 79 第二章第二章 基础知识基础知识 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 80 本章框架本章框架 新理念新理念 分类分类 学科学科 常识常识 冶炼冶炼 资源资源 新材料新材料 学科学科 前沿前沿 材料学院材料学院 张静张静 本科

48、生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 81 第一节第一节 分类分类 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 82 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 83 材料的分类材料的分类 材料按化学组成（或基本组成）分类材料按化学组成（或基本组成）分类 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类: 材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分类: 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静

49、本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 84 材料的分类材料的分类 按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁 性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。 按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性 光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。 l按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光

50、材料、 耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包 装材料等。装材料等。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 88 l按化学结构特点按化学结构特点材料的键合方式材料的

51、键合方式 l离子键离子键 ( Ion bond( Ion bond ) ) l结合能比较高结合能比较高 l没有方向性。没有方向性。 l共价键共价键 ( covalent bond )( covalent bond ) l结合能的差别甚大结合能的差别甚大 l具有方向性具有方向性 l金属键金属键（Metallic bondMetallic bond） l正离子浸浴在负电子气中，金属键没有方向性。正离子浸浴在负电子气中，金属键没有方向性。 l在外加电压作用下，金属内的电子容易移动。在外加电压作用下，金属内的电子容易移动。 l在外加应力作用下，金属内的原子容易移动。在外加应力作用下，金属内的原子容易移

52、动。 分类准则分类准则 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 89 What? What? 各类材料的性能特点各类材料的性能特点 l金属材料金属材料主要为金属键主要为金属键。 l热和电的良导体热和电的良导体 l具有良好的强度与延展性以及金属光泽具有良好的强度与延展性以及金属光泽 l陶瓷材料陶瓷材料通常为离子键或共价键通常为离子键或共价键。 l绝缘体而且比较耐热。绝缘体而且比较耐热。 l高分子材料高分子材料通常为共价键、分子键和氢键，通常为共价键、分子键和氢键， 以共价键为主。以共价键为主。 l分子结构都非常巨大分子结构都非常巨大

53、l通常密度较低，在高温下不稳定。通常密度较低，在高温下不稳定。 l复合材料复合材料由多种材料复合而成。由多种材料复合而成。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 90 说明：说明：着色愈浅表示金属键特性愈强着色愈浅表示金属键特性愈强. 发展发展 结构金属结构金属 间化合物间化合物 难熔难熔 合金合金 - 、 - 化合物化合物 氧化物晶体氧化物晶体 结构结构 功能功能 陶瓷陶瓷 超导超导 合金合金 金属金属 陶瓷陶瓷 非晶非晶 合金合金 复杂分子复杂分子 化合物化合物 高温氧高温氧 化物超导化物超导 有机有机/ 无机无机 复合复合

54、材料材料 钢钢 铁铁 铜铜 轻轻 合合 金金 Si 半半 Ge导导 体体 Fe高温高温 Ni 合金合金 Co 聚合物聚合物 材料与键合特性材料与键合特性 由金属键向混合由金属键向混合 键，简单立方晶键，简单立方晶 体结构向复杂晶体结构向复杂晶 体结构及复杂分体结构及复杂分 子结构演进，子结构演进，从从 而决定或影响了而决定或影响了 材料的制备材料的制备/加工、加工、 组织、力学和功组织、力学和功 能性能。能性能。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 91 四大类工程材料四大类工程材料 21 21 世纪形成四大类世纪形成四大类 工

55、程材料平分秋色工程材料平分秋色 金属金属 高分子高分子 复合材料复合材料 陶瓷陶瓷 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 92 金属材料与磁性材料约为金属材料与磁性材料约为4 4亿亿 其他各类材料约为其他各类材料约为1 1至至2 2亿亿 金属材料占预算约金属材料占预算约1/41/4 其他材料约占其他材料约占3/43/4 既要重视金属材料的研发既要重视金属材料的研发 更要重视非金属材料的研发更要重视非金属材料的研发 9090年代美国各类材料研究与发展年代美国各类材料研究与发展(R&D)(R&D)的预算的预算 西北工业大学西北工业大学

56、 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 93 美英材料学家把材料分美英材料学家把材料分 为十类，以金属、高分为十类，以金属、高分 子与陶瓷为基础提供各子与陶瓷为基础提供各 类材料领域。类材料领域。 材料间有密切联系和共材料间有密切联系和共 性基础。性基础。 金属、高分子、陶瓷为基础的十类材料金属、高分子、陶瓷为基础的十类材料 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 94 金属结构材料金属结构材料 陶瓷结构材料陶瓷结构材料 碳碳/ /碳结构材料碳结构材料 高分子结构材料高分子结构材料 超导材料超导

57、材料 生物材料生物材料 磁性材料磁性材料 光光/ /声材料声材料 电子材料电子材料 催化材料催化材料 机电材料机电材料 冶冶 金金 化工化工 材料材料 金属材料制备加工金属材料制备加工 的冶金过程及其相关的冶金过程及其相关 有 机 、 无 机 材有 机 、 无 机 材 料 制 备 、 合 成料 制 备 、 合 成 的 化 学 过 程 及的 化 学 过 程 及 其相关其相关 材料加工、材料加工、 制 备 、 合 成制 备 、 合 成 、 测 试 、 表、 测 试 、 表 征、总体征、总体 材料、冶金、化工的关联材料、冶金、化工的关联 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学

58、位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 95 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 96 51 147 Ti 112 775 Cr 41.0 14 0.2 Ag 36 5.4 Mo 21.2 18 123 Zn 40.9 24 308 Cu 16.9 35 1170 Al 31.7 109 1106 Fe 再生率再生率(%) 可用年数可用年数 储量（储量（106t） 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 97 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科

59、生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 98 金属材料金属材料 l金属材料是由化学元素周期表金属材料是由化学元素周期表 中的金属元素组成的材料。中的金属元素组成的材料。 l可分为由一种金属元素构成的可分为由一种金属元素构成的 单质（纯金属）；由两种或两种单质（纯金属）；由两种或两种 以上的金属元素或金属与非金属以上的金属元素或金属与非金属 元素构成的合金。元素构成的合金。 l合金又可分为固溶体和金属间合金又可分为固溶体和金属间 化合物。化合物。 西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 99 金属通常分为两大类金属通常分为两大类

60、西北工业大学西北工业大学 材料学院材料学院 张静张静 本科生学位课本科生学位课 金属材料学金属材料学 100 轻金属轻金属 4.5g/cm4.5g/cm3 3如如AlAl、MgMg、K K、NaNa、CaCa等。等。 重金属重金属 4.54.5g/cmg/cm3 3如如CuCu、ZnZn、NiNi、SnSn、PbPb、CoCo等。等。 贵金属贵金属 AuAu、AgAg、PtPt、RhRh（铑）、（铑）、CdCd（镉）等。（镉）等。 稀有金属稀有金属 相对稀少或产量较少相对稀少或产量较少TiTi、WW、V V、NbNb、MoMo等。等。 放射性金属放射性金属 如镭（如镭（RaRa）、铀（）、铀（